CN101484705B - 改进的压缩机装置 - Google Patents

Abstract

一种用于压缩气体的改进的多级压缩机装置，该压缩机装置(1)主要包括至少两个压缩机部件(2-5-28)，按顺序一个接一个布置，其中至少一个(5-28)由马达(9)驱动，其特征在于至少另一个压缩机部件(2)通过膨胀器(18)被单独驱动，换句话说就是与所述马达(9)没有任何机械连接，所述膨胀器(18)包含在封闭动力循环(12)中，其内部的环流介质被压缩空气加热。

Description

改进的压缩机装置

技术领域

本发明涉及一种改进的压缩机装置。 

背景技术

公知的是，在压缩机装置中被压缩的气体的温度会因为压缩而升高到很高水平。 

对气体进行压缩所需的大量能量都因此转化成热，特别是转化成压缩气体中的潜热。 

这种变成热的转化通常丝毫不被利用，因而代表着损失，其对压缩机装置的效率具有负效应。 

通常所做的努力是限制所产生的热以便提高效率和确保压缩以理想的方式，即等温地发生。 

在实践中，等温压缩难于实现。 

已知的限制在气体压缩期间产生的热的方法是将具有高热容的液态冷却剂喷射到压缩机装置的压缩机元件中。例如，所谓的油喷射和水喷射螺旋压缩机就是这样的例子。 

然而，在此种类型的工业压缩机中，这种相互作用的时间在压缩机元件内是非常短暂的，其结果是液体喷射的积极影响在效率方面不是特别显著。 

另外已知的试图达到等温压缩的方案是使压缩按具有定值增大压力的数个步骤，在连续串联连接的压缩机部件内发生，并在连续的步骤间使用中间冷却器来冷却被压缩气体。 

可选的是回收来自被压缩气体的潜热，用于其它有益的目的或用途，例如用于加热或类似设备。 

然而，这样的用途在所处地并不总是便利的或必需的。 

气体的热量被回收并通过涡轮机转化成机械能，这样的应用是已知的。 

这种机械能被用作，例如驱动发电机，或用于减小用来驱动压缩机装置的马达的负载，从而可以使用较小的马达。 

在这最后的情况中，涡轮机通过其轴与所述马达或压缩机装置的一个或多个压缩机元件的驱动轴直接机械连接。 

由于压缩机元件和涡轮机是机械连接的，这些元件的选择就受到限制，其结果是这些元件不能每个都最优化。 

另外，虽然通过热量再利用可获得较好的总效率，但是压缩机装置的效率本身没有改善。 

发明内容

本发明涉及一种压缩机装置，其具有提高的效率和更多的选择以使每个单独元件最优化并因此也使压缩机装置整体最优化。 

为此，本发明涉及改进的用于压缩气体的多级压缩机装置，该压缩机装置主要包括至少两个相互串联布置的压缩机部件，至少其中之一由马达驱动，而至少另外一个压缩机部件单独地，换句话说与所述马达没有任何机械连接地被驱动，所述单独驱动是通过膨胀器，例如涡轮机，该涡轮机包含在封闭动力循环内，其内部的环流介质被压缩气体加热。由马达驱动的压缩机部件为螺旋型，而通过封闭动力循环的膨胀器被单独驱动的压缩机部件为离心式。 

压缩气体的热被用于驱动压缩机装置的元件，即应用高效动力循环，优选的是根据所谓的朗肯循环(Rankine cycle)过程运行，其中，来自高压压缩部件的热气体起热源的作用。 

这样，压缩气体的能量就以高能效的方式被回收用于压缩机装置本身，其结果是压缩机装置的自身效率得以提高。 

由于被膨胀器单独驱动的压缩机部件与被马达驱动的压缩机部件是分离的，被膨胀器驱动的压缩机部件能够以不同于被马达驱动的压缩机部件的速度来驱动。 

这样的情形又另外能够利用两个压缩机部件的各自速度，以便根据所期望的压缩机能力、大气条件等单独调节两个压缩机部件的操作条件。 

此外，可以选择的压缩机部件是，其能够被膨胀器以高速直接驱动而没有传动箱或一些类似部件的介入。 

因为被涡轮机驱动的压缩机部件与被马达驱动的压缩机部件是不同的类型，从而就此方面而言做出最优化的选择。 

总的来讲，所有这些可使从这样的压缩机装置获得改进的效率成为可能。 

封闭动力循环中的介质通过泵被环绕输送，连续通过：由至少一个换热器构成的加热器，至少部分压缩气体流经所述换热器；与所述压缩机部件相连接的所述膨胀器；和冷凝器。 

介质在加热器内被蒸发成具有高能量的气体，该气体驱动膨胀器，例如涡轮机，从而也驱动了与其连接的压缩机部件，在此期间膨胀器中的气体进行膨胀，其后离开膨胀器的气态介质在冷凝器中被再次液化而处于低压，以便之后由泵再次以增加的压力送出通过加热器，然后就这样在封闭动力循环中开始新的循环。 

以这种方式，膨胀器例如涡轮机能够以很高的速度被驱动，这样就可能例如以有利的方式使用涡轮压缩机作为被膨胀器驱动的压缩机部件。 

附图说明

为了更清楚地展示本发明的特征，在下面的内容里，通过示例而不是为任何限制性意图，参考附图描述了数个依据本发明的改进的压缩机装置的优选实施方式，其中附图为： 

图1是依据本发明的改进的压缩机装置的图解表示； 

图2和3示出了图1的变形。 

具体实施方式

图1中的压缩机装置1主要包括两个压缩机部件：带有入口3和出口4的第一压缩机部件2和同样也带有入口6和出口7的第二压缩机部件5。 

压缩机部件2和5通过管线8串联连接，所述管线8将第一压缩机部件2的出口4与第二压缩机部件5的入口6连接。 

第一压缩机部件2就被压缩气体的流动方向而言，位于第二压缩机部件5的上游，并且在低于第二压缩机部件5的压力下工作，其结果是这些压缩机部件2和5也有时被认为是低压压缩机部件2和高压压缩机部件5，而这并不意味着低压压缩机部件必须有必要在低压力下工作。 

高压压缩机部件5被马达9驱动，并且在此情况下通过压力管线10与主网11或类似物相连。 

低压压缩机部件2在此情况中是压缩机装置1的元件，依据本发明该元件由封闭动力循环12驱动，该封闭动力循环12根据朗肯循环过程的原理运行。 

在所述示例中动力循环12包括封闭回路13，在该回路中介质如戊烷、水、二氧化碳或任何其它合适的介质在特定流动方向14上，例如通过由马达16驱动的泵15而被环绕泵送。 

回路13在介质流动方向14上连续地包括换热器17形式的加热器，在此情况中涡轮机18形式的膨胀器18和冷凝器19。 

来自高压压缩机部件5的热气体流经换热器17，为此目的换热器17包含在压力管线10中。 

涡轮机18配备有用于介质的入口20和出口21，并且通过传动装置22与低压压缩机部件2的输入轴相连，前述要点确保了低压压缩机部件2与高压压缩机部件5分开驱动，且在两个压缩机部件2与5之间或在压缩机部件2与压缩机部件5的马达9之间没有任何机械连接。 

在所述示例中，低压压缩机部件2与涡轮机18都是涡轮类型，其结果是传动装置22可以是借助轴的直接连接。然而，并不排除可使用其它类型的压缩机部件或膨胀器，更特别地是涡轮机的可能性，如螺 线型、螺旋型等等。 

冷凝器19是用于冷却流过其中的介质的换热器，在此情况中采用的形式为空气冷却，空气由带有驱动器24的外部风扇23提供。 

改进的压缩机装置1的运转很简单，过程如下： 

高压压缩机部件5被马达9驱动并输送特定的压缩气流，所述压缩气流通过压力管线10和加热器的换热器17输送到主网11。 

与压缩机部件5同时，泵15也通过马达16被驱动以便沿方向14绕回路13输送介质，在该过程中，介质被泵15加到更高的压力，例如10巴。 

介质以液体形态流入加热器的换热器17中，并被加热器17中的传热气化成气相。 

所形成的气体以较高的压力和温度流入涡轮机18内。 

在涡轮机18中，气相介质进行膨胀，其结果是涡轮机18被高速驱动，从而此涡轮机18将又驱动低压压缩机部件2。 

结果是，要被压缩的气体通过入口3被吸入并在低压压缩机部件2中被压缩至某一中间压力。 

介质以显著降低的压力和温度离开涡轮机18并在冷凝器19中被冷却以便冷凝和重新液化，其结果是重新液化的介质可由泵15汲取并再次环绕汲送，用于下一个操作循环。 

根据用途和额定功率，可以采用各种不同的元件以获得最佳结果。 

对于吸收功率约240kW和能力在每秒1000升范围内以及压缩比为4.5的高压压缩机部件5来讲，已经获得了积极的结果，例如，以基于戊烷的动力循环，采用膨胀比约100和任何比率大于50的涡轮机18，其产生的功率在60kW范围内用于以压缩比约为1.8来驱动低压压缩机部件2。 

如果需要，代替戊烷，可以使用另外的介质如水或二氧化碳，优选的是具有低于150摄氏度的较低沸点的介质。 

当然，对于压缩机而言，所有类型的压缩机都可以用作高压压缩 机部件，如螺旋压缩机、无油压缩机等。 

涡轮机18和低压压缩机部件2也不一定是涡轮型，但还可以是例如螺旋型或螺线型，而且它们可以都是相同的类型或者每个都互不相同的类型。 

如果使用高速涡轮型的压缩机部件2，所用压缩机部件2的体积可以比需要低速驱动的传统上所用的压缩机部件小得多，因此采用这种涡轮类型的压缩机部件的依据本发明的压缩机装置也比已知的压缩机装置占用更少的空间。 

在与热动式马达9相结合的情况下，这样的压缩机装置因此非常适用于便携式压缩机类型。 

加热器17和膨胀器18是优选的高效元件，它们能以很小的温差进行运作。 

并未排除可能性的是，在动力循环12中的介质可以由于循环过程的热动力运作而循环流通，不要为此所需的泵15。 

在图2中，示出了依据本发明的改进的压缩机装置的变形，其与图1中的实施方式不同之处在于封闭动力循环12中的加热器包含额外的换热器25，其包含在动力循环12中换热器17的上游。 

此换热器25采取包含在将低压压缩机部件2与高压压缩机部件5连接的管线8中的中间冷却器形式。 

通过使用这个中间冷却器25，在高压压缩机部件5中被压缩的气体被预冷，这对高压压缩机部件5的效率具有积极的影响，而且还提供了能向在动力循环12中的介质供给能量的另外的热源。 

在此情况中用于驱动高压压缩机部件5的马达9为热力马达，其排出的气体经出口管线26通过另外的换热器27被输送，所述换热器27也作为加热器包含在回路13中用于加热此回路13中的介质。 

就其它方面而言，这种变形的运作与图1的那些相似。 

很清楚的是，通过换热器17、25和27输送的压缩气体的流量不一定需要是由压缩机部件2输送到压缩机部件5的全部流量。 

作为可选变形，加热器可包括仅仅是换热器17、25和27之一。 

根据出口管线26中的排出气体的温度高于或低于压力管线10中的压缩气体的温度，换热器27可以包含在回路13中换热器17的上游或下游。 

在图3中，示出了依据本发明的压缩机装置的变形，其中换热器27被定位在换热器的下游。 

在图3中，本发明被用于带有外加的压缩机部件28的多级压缩机装置1，该压缩机部件28串联地位于低压压缩机部件2和高压压缩机部件5之间，换热器25采用中间冷却器的形式以便在被压缩机28压缩的气体在被高压压缩机部件5吸取而用于进一步压缩之前将所述气体冷却。 

另外，在图3中的压缩机装置1中配备有发电机29，该发电机由涡轮机18通过传动装置30驱动并供给电流用于驱动压缩机装置的其它元件，如分别为泵15和风扇23的马达16和驱动器24，或者例如是外加的空气干燥器的或用于换热器17、25、和/或27的外加风扇的马达和驱动器。 

根据未示出的可选实施方式，涡轮机18专门用于驱动发电机29。 

虽然附图示出了依据本发明的压缩机装置的实施方式，其中由膨胀器18驱动的压缩机部件2被定位在由马达9驱动的压缩机部件5的上游，但并不排除此压缩机部件2被定位在压缩机部件5的上游的可能性。 

本发明决不是限定于通过示例说明的和附图中所示的实施方式，依据本发明的改进的压缩机装置可以以各种不同的形式和尺寸制造，都不超出本发明的范围。 

Claims (13)

1.一种改进的用于压缩气体的多级压缩机装置，该压缩机装置(1)主要包括至少两个压缩机部件(2-5-28)，该至少两个压缩机部件一个接一个串联布置，其中至少一个压缩机部件(5-28)由马达(9)驱动，其特征在于，至少另一个压缩机部件(2)通过膨胀器(18)单独地驱动，换句话说与所述马达(9)没有任何机械连接地被驱动，所述膨胀器(18)属于封闭动力循环(12)，该封闭动力循环在其内部具有循环介质，该循环介质被压缩气体加热；由马达(9)驱动的压缩机部件(5-28)为螺旋型，而通过封闭动力循环(12)的膨胀器(18)被单独驱动的压缩机部件(2)为离心式。

2.如权利要求1所述的压缩机装置，其特征在于，被所述封闭动力循环的膨胀器(18)单独驱动的压缩机部件(2)在压缩气体的流动方向上定位在由马达(9)驱动的压缩机部件(5-28)的上游。

3.如权利要求1所述的压缩机装置，其特征在于，马达(9)为热动式马达。

4.如权利要求1所述的压缩机装置，其特征在于，封闭动力循环(12)中的循环介质通过泵(15)被环绕输送而连续通过：由至少一个换热器(17-27-25)构成的加热器，至少部分压缩气体流经所述换热器；与所述压缩机部件(2)相连接的所述膨胀器(18)；和冷凝器(19)。

5.如权利要求4所述的压缩机装置，其特征在于，封闭动力循环(12)中的加热器的至少一个换热器(25)采用中间冷却器(25)的形式，用于冷却将两个压缩机部件(2-5)相互连接的管线(8)中的压缩气体。

6.如权利要求4所述的压缩机装置，其特征在于，所述马达为热动式马达(9)，该热动式马达具有用于排出气体的出口管线(26)，封闭动力循环(12)中的加热器具有另外的换热器(27)，该另外的换热器(27)包含在所述出口管线(26)中。

7.如权利要求1所述的压缩机装置，其特征在于，所述封闭动力循环(12)中的循环介质是具有低沸点的介质。

8.如权利要求4所述的压缩机装置，其特征在于，膨胀器(18)和/或由膨胀器(18)驱动的压缩机部件(2)为涡轮型。

9.如权利要求4所述的压缩机装置，其特征在于，膨胀器(18)和/或由膨胀器(18)驱动的压缩机部件(2)为螺旋型。

10.如权利要求4所述的压缩机装置，其特征在于，膨胀器(18)和/或由膨胀器(18)驱动的压缩机部件(2)为螺线型。

11.如权利要求4所述的压缩机装置，其特征在于，由膨胀器(18)驱动的压缩机部件(2)具有1.8的压缩比。

12.如权利要求1所述的压缩机装置，其特征在于，该压缩机装置为便携式。

13.如权利要求7所述的压缩机装置，其特征在于，所述沸点低于150摄氏度。

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